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Funktion einer CCD-Kamera

Das CCD (charge-coupled device) ist ein lichtempfindlicher Sensor welcher in einen gewissen Zeitraum Licht sammeln und speichern kann. Sobald das Licht auf das Bildelement  treffen, werden Elektronen freigegeben, welche durch eine geeignete Spannungsverteilung im den Zellen des CCD-Chips gespeichert werden. Dieser Chip besteht aus Tausenden von einzelnen Zellen (Pixel), welcher eine Quantenausbeute von bis zu 80% erreichen kann, d.h. je mehr Photonen auf ein Pixel auftreffen, desto mehr Elektronen werden frei (Linearität zwischen auftreffender Strahlungsstrom und gespeicherter Ladungsmenge).

Wer es noch genauer wissen möchte, geht an das Ende dieser Seite


Vorteile und Nachteile gegenüber der Filmschicht


   Vorteile:

  1. Aufgrund der höheren Empfindlichkeit des CCD-Chips, können die Belichtungszeiten erheblich kürzer ausfallen beim Film
  2. Das Digitalbild leidet nicht unter dem so genannten Schwarzschildeffekte.
  3. Der CCD-Chip arbeitet linear, d.h. doppelte Belichtungszeit ist gleich zweifache Bildhelligkeit.
  4. Keine lästige Arbeiten in der Dunkelkammer, da man das Bild relativ einfach am PC nachbearbeiten kann, d.h. sogar Bilder die auf den ersten Blick wertlos erscheinen, können Mithilfe des Computers und der richtigen CCD-Software (Astroart etc.) wieder aufbereitet werden.
  5. Schnellere Beurteilung der Ergebnisse, d.h. es ist sofort nach der Aufnahme auf dem Computer sichtbar ist
  6. Komfortablere Auswertung der CCD-Aufnahme (Photometrie etc)

    Nachteile:

  1. Noch die Größe der CCD-Chips gegenüber der KB-Filme, d.h. man benötigt mehrere Einzelbilder um ein größeres Objekt abzulichten.
  2. Bei Farbaufnahmen müssen für befriedigende Ergebnisse jeweils drei Farbaufnahmen gemacht werden.
  3. Mehrkosten durch Zubehör wie Filterrad, Klappspiegel, Notebook und größerer/neuer Bleiakku für den CCD-Betrieb im Feld
  4. Nachführgenauigkeit muss sehr hoch sein

Berechnung der Winkelauflösung

Da uns die Leser schon öfter nach der Berechnungsmöglichkeit der Winkelauflösung gefragt haben, haben wir dies jetzt in unserer Seite aufgenommen.
Die aufgezeichneten Werte wurden mit folgender Formel errechnet : Winkelauflösung pro Pixel = Pixelgröße / Brennweite * 206. Werte über 9 Bogensekunden wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.

winkel.jpg (92294 Byte)

Verdeutlichung einiger spezieller CCD-Begriffe

Pixel:
Der CCD-Chip besteht aus einzelnen Pixeln, welche sich einzeln über die Elektronik auslesen lassen. Wobei gilt, je kleiner ein Pixel ist desto schärfer und detaillierter wird das Bild.  Ein CCD-Chip hat z.B. 192 x 165 oder bis zu 2048 x 2048 Pixel, wobei die Größe eines Pixels liegt zwischen 4,8-27 µm (Mikrometer) Seitenlänge.
(siehe Unterkapitel "Ein paar CCD-Kameras")

Dunkelstrom:
In jedem Pixel entstehen ein unerwünschtes Elektron durch Temperatureffekte (auch bekannt als thermisches Rauschen) im Halbleiter. Diese unerwünscht gespeicherten Elektronen bezeichnet man als Dunkelstrom, welcher verhindert, dass mit dem CCD-Chip unendlich lange belichtet werden kann, d.h. bei einem Extremfall würde ein Pixel allein durch diese thermischen Elektronen gesättigt. Daraus folgt, je kleiner der Dunkelstrom einer CCD-Kamera ist, um so größer ist die Belichtungszeit. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird eine CCD-Kamera thermoelektrisch gekühlt und zwar meist Mithilfe eines so genannten Peltier-Elements. Dabei werden Temperaturen von bis zu -45°C erreicht.


Spektrale Empfindlichkeit:
CCD-Chips sind im Infrarotbereich sehr empfindlich. Was man vom ultravioletten Bereich nicht behaupten kann, dort ist der Chips sehr schwach bzw. gar nicht empfindlich. Daher ist das Fotografieren im blauen Spektralbereich sehr problematisch (Diesem Problem ist die Firma Sony auf der Spur, mit Ihren CCD-Chips, welche eine sehr hohe Blauempfindlichkeit besitzen.)


Blooming-Effekt:
Diese Effekt tritt bei Aufnahmen von hellen Objekten auf. Es ist eine Art Lichtspur ähnlich dem Beugungseffekt beim Newton. Es entsteht durch Übersättigung eines Pixels, der einfach überläuft, wobei die überschüssigen Elektronen einfach in den nächsten Pixel in ihrer Reihe wandern.


Binning:
Beim Binning werden mehrere Pixel elektronisch zu einem größeren Pixel zusammengefasst. Dadurch erhöht man die Lichtempfindlichkeit. Diese Methode eignet sich hervorragend bei Aufnahmen von lichtschwachen Objekten.



Nachführen mit einer CCD-Kamera

Das Nachführen eines Teleskops war ein sehr wichtiger Schritt in der Astronomie, den endlich war es möglich, langzeit Aufnahmen zu machen ohne ständig mit dem Kopf über dem Nachführokular zu hängen. Eine meiner ersten Autoguider CCD-Kamera war eine Pictor 208XT. Die Pictor 208XT besitzt 336 x 242 Pixel, was einer Gesamtzahl von 81321 Pixeln entspricht. Der CCD-Chip selbst hat eine Größe von 3.36mm x 2.42mm, was bei einer Brennweite von 10" (Zoll)=2500mm einem sichtbaren Feld von 4,62' x 3,32' Bogenminuten entspricht.


Eine Besonderheit auf dem low cost Sektor ist die ST-4 CCD-Kamera, da sie unabhängig von einem Computer eingesetzt werden kann. Die meisten; anderen Kameras auf dem Markt nutzen einen Computer als Steuereinheit.

Es gibt auch Modelle die zweiten CCD-Chip eingebaut haben, mit diesen Kameras ist es möglich, mit einem Chip ein Bild aufzunehmen, während der andere nachführt. Es ist also nicht mehr nötig eine zweite CCD-Kamera an ein Leitrohr oder an einen Off-Axis Guider zu installieren.

Unten ist die Steuereinheit einer CCD-Kamera (SBIG ST-4) zusehen. Die ST-4 kann als eine der wenigen Kameras auf dem Markt ohne Computer betrieben werden. Weitere Autoguider sind die Meade 218 und SBIG STV.


©SBIG


Ein paar CCD-Kameras

Die Preise unter Vorbehalt, da die meisten Leute gar nicht wissen was so eine Kamera den kostet.

Typ Hersteller Chip Chipgröße Auflösung Pixelgröße Preis 01/02 Preis 01/00
ST-4 SBIG TC-211 2,5 x 2,5 mm 192 x 165 Pixel 13,75 x 16 µm -------- 1850.- DM
Pictor208XT Meade TC-255 3,3 x 2,4 mm 336 x 242 Pixel 10 x 10 µm 1150.41 € 1695.- DM
ST-5 SBIG TC-255 3,2 x 2,4 mm 320 x 240 Pixel 10 x 10 µm 1528.76 € ????.-  DM
Pictor216XT Meade TC-255 3,3 x 2,4 mm 336 x 242 Pixel 10 x 10 µm 1477.63 € 2495.- DM
ST-6 SBIG TC-241 8,6 x 6,5 mm 375 x 242 Pixel 23 x 27 µm 4397.11 € 6445.- DM
MX 5 Starlight ICX055BK 4,9 x 3,6 mm 500 x 290 Pixel 4,9 x 3,6 µm 1226.08 € --------
ST-9E SBIG KAF-261E 10,2 x 10,2 mm 512 x 512 Pixel 20 x 20 µm 6030.69 € --------
HX 516 Starlight ICX084AL 4,9 x 3,6 mm 660 x 494 Pixel 7,4 x 7,4 µm 2044.14 € --------
MX 7 Color Starlight ICX249AK 6,47 x 4,83 752 x 582 Pixel 8,6 x 8,3 µm 2197.53 € --------
Pictor416XT Meade KAF-0400 6,9 x 4,6 mm 768 x 512 Pixel 9 x 9 µm 4087.78 € 5495.- DM
ST-7 SBIG KAF-0400 6,9 x 4,6 mm 765 x 510 Pixel 9 x 9 µm 4064.77 € 6720.- DM
ST-1001E SBIG KAF-1001E 24.5 x 24.5 mm 1024 x 1024 Pixel 24 x 24 µm 9701.76 € --------
MX 916 Starlight ICX085AL 8,7 x 6,7 mm 1300 x 1030 Pixel 23,2 x 22,4 µm 2913.34 € --------
Pictor1616XTE Meade KAF-1600 13,8 x 9,2 mm 1536 x 1024 Pixel 9 x 9 µm 11493.84 € 16900.- DM
ST-8 SBIG KAF-1600 13,8 x 9,2 mm 1530 x 1020 Pixel 9 x 9 µm 9113.78 € 14890.- DM
ST-10E SBIG KAF-3200E 14,9 x 10 mm 2184 x 1472 Pixel 6,8 x 6,8 µm 11683.02 € --------



Bildbearbeitungssoftware



Adobe Photoshop
Ist im Gegensatz zu Astroart ist Photoshop ein reines Bildbearbeitungsprogramm, d.h. es ist keine Steuerung oder ein direktes auslesen des Bildes aus der Kamera möglich.
Dafür kann man das Bild sehr einfach und schnell bearbeiten.

Astroart
Noch in der Testphase.


Zusatzinfo: Aufbau und Arbeitsweise eines Fotoelementes:

Ein Silizium-Fotoelement besteht aus einem p-leitenden Si-Einkristall, in das eine dünne n-leitende Zone eindotiert wurde. Zwischen p-Zone und n-Zone bildet sich durch Ladungstägerdiffusion eine Raumladungszone. In dieser Zone herrscht ein elektrisches Feld. Da die n-Zone sehr dünn ist, wird sie fast ganz von der Raumladungszone durchsetzt. Die n-Zone ist mit einer lichtdurchlässigen Schutzschicht abgedeckt. Das Licht fällt auf die n-Zone und bewirkt in ihr ein Freisetzen von Elektronen. Man kann sich vorstellen, dass die Photonen des Lichtes Kristallbindungen zerschlagen. Die aus ihren Bindungen befreiten Elektronen werden vom elektrischen Feld beschleunigt. Sie erfahren als negative Ladungsträger eine Kraftwirkung entgegengesetzt zur Feldlinienrichtung, d.h. sie wandern in den sperrschichtfreien Bereich der n-Zone. Dort herrscht Elektronenüberschuß. (Der sperrschichtfreie Bereich der n-Zone ist der negative Pol des Fotoelementes). Die bei der Freisetzung von Elektronen entstandenen Löchern wandern in Feldlinienrichtung in den sperrschichtfreien Teil der p-Zone. Dort herrscht Elektronenmangel. (Der sperrschichtfreie Bereich der p-Zone ist der positive Pol des Fotoelementes).